軟土深基坑樁撐支護(hù)選型分析及數(shù)值模擬研究

劉 芳，羅 武，趙永志，朱漢新，楊 爍

（珠海市建筑設(shè)計(jì)院 廣東珠海 519000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化和地下空間利用的發(fā)展，基坑工程近年來有了快速的發(fā)展［1］?？紤]到深基坑工程越來越多，復(fù)雜的周邊環(huán)境及周邊管線對(duì)現(xiàn)代工程基坑變形及穩(wěn)定性要求越來越高［2-3］。基坑開挖過程中，土體的變形與土體的性質(zhì)和土體的固結(jié)滲流等因素密切相關(guān)［4］，珠海地區(qū)軟土區(qū)域分布廣泛，屬于濱海沉積軟土，具有低強(qiáng)度、高壓縮性、觸變性及低透水性等工程性質(zhì)，作為建筑物地基極易發(fā)生不均勻沉降，而對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的深基坑支護(hù)工程，變形量的控制成為基坑工程成敗的關(guān)鍵，同時(shí)考慮到軟土工程性質(zhì)和深基坑邊界條件的復(fù)雜性，巖土工程理論發(fā)展的滯后性，使理論計(jì)算分析和預(yù)測(cè)值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值存在較大的差距，至今仍存在很多的問題。因此，軟土地區(qū)基坑開挖的理論模型和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理、承載特性研究?jī)?nèi)容尚需完善。

本文以珠海軟土地區(qū)某深基坑為例，首先進(jìn)行支護(hù)型式選型分析，然后分別采用理正深基坑軟件和MIDAS/GTS 有限元軟件對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行有限元模擬分析。經(jīng)過驗(yàn)證對(duì)比分析，數(shù)值分析能很好地反映基坑開挖過程中土體的性狀，使得分析的結(jié)果能更好地反映土體的真實(shí)變形特性，為軟土地區(qū)深基坑工程實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)，為后續(xù)類似工程積累設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。

1 基坑支護(hù)選型和設(shè)計(jì)

1.1 基坑支護(hù)選型

擬建工程為一棟48層超高層辦公樓，地下室2層，深基坑工程開挖深度為9.5 m，基坑周長(zhǎng)約449 m，基坑總面積約14 130 m2，基坑呈方形。根據(jù)場(chǎng)地周邊管線資料，場(chǎng)地南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)均有10 kV 供電線、電信線、污水管、路燈、雨水管，市政管線分布復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，場(chǎng)地內(nèi)分布的地層為人工填土層（Qml）、第四系海相沉積層（Qmc）、殘積層（Qel）及燕山期侵入巖（γ52（3）），各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。場(chǎng)地地下水主要賦存在素填土及基巖風(fēng)化帶風(fēng)化裂隙中，砂質(zhì)粘性土含水層之上有填土層覆蓋，與地表水水力聯(lián)系較弱，與下部基巖強(qiáng)風(fēng)化帶的裂隙水有微透水，測(cè)得穩(wěn)定水位埋深0.40～2.30 m。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Properties of Soil Layers

本工程開挖深度較深，且地質(zhì)條件差，存在松散填土，淤泥廣泛發(fā)育且埋深較厚，鄰近基坑周邊有市政道路，路面下埋設(shè)有較多市政管線。若基坑支護(hù)及止水措施不當(dāng)，開挖將產(chǎn)生大變形，對(duì)市政道路及管線的穩(wěn)定帶來不利影響，因此，本工程支護(hù)設(shè)計(jì)選型的關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制位移及做好止水帷幕，使周邊既有建筑和市政管線的位移和沉降滿足基坑支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

鑒于基坑開挖深度較深，周邊環(huán)境要求較嚴(yán)格，土釘墻或是復(fù)合土釘墻支護(hù)難以滿足變形的要求，不適宜位移要求較嚴(yán)的深大復(fù)雜的基坑；樁-錨支護(hù)可確保基坑壁土體變形可控，但限于基坑周邊建筑和管線要求，不宜采用預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)［5-6］?？紤]到基坑施工時(shí)對(duì)變形控制等必要條件，目前超大深基坑支護(hù)常采用工藝相對(duì)成熟的的內(nèi)支撐加排樁的組合，將坑內(nèi)外不平衡的水土壓力施加于排樁上從而保持受力平衡，最后傳到穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系上，且不受地層條件控制［5-7］，因此本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁加混凝土內(nèi)支撐型式。

1.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)各種支護(hù)型式對(duì)比，擬采用放坡加樁撐支護(hù)，放坡高度為2.5 m，坡率為1∶1。支護(hù)樁為直徑1 200 mm，間距1 400 mm 混凝土灌注樁；設(shè)置一道混凝土內(nèi)支撐，均為角撐間距為8～9 m，未設(shè)置腰梁，內(nèi)支撐標(biāo)高同冠梁層標(biāo)高；使用直徑為600 mm 的高壓旋噴樁作為灌注樁樁間土加固及止水作用，坑內(nèi)軟弱土體加固采用直徑為800 mm攪拌樁格柵布置。

采用理正深基坑計(jì)算軟件建立三維整體模型（見圖1），四邊地面超載均按照均布荷載20 kPa 考慮，所有土層均設(shè)置為水土合算，設(shè)置3 個(gè)階段施工工況：①開挖至3.5 m；②開挖至坑底；③拆除支撐。計(jì)算所得的水平變形曲線、支撐軸力、支護(hù)樁內(nèi)力分別如圖1、圖2所示。

圖1 三維整體模型及水平變形曲線Fig.1 Three-dimensional Whole Model and Horizontal Deformation Curve

圖2 支護(hù)樁彎矩及支撐軸力Fig.2 Bending Moment and Axial Force of Supporting Pile

根據(jù)理正三維計(jì)算結(jié)果，基坑開挖至坑底時(shí)，基坑支護(hù)樁樁身變形最大值為40.42 mm，位置位于陽(yáng)角邊長(zhǎng)最長(zhǎng)區(qū)域，支護(hù)樁彎矩最大值為2 629 kN·m，支撐軸力最大值為8 482 kN。軟件計(jì)算結(jié)果滿足基坑支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求，說明支護(hù)型式選取的合理性和可靠性。

2 MIDAS/GTS軟件施工過程數(shù)值模擬

MIDAS/GTS 是一款應(yīng)用于巖土與隧道分析的有限元軟件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際巖土工程的設(shè)計(jì)和施工［8］。本文將采用MIDAS/GTS 有限元軟件對(duì)深基坑支護(hù)工程進(jìn)行實(shí)體建模，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)有限元方法，模擬施工過程中各開挖工況，分析各種工況下周邊土體的沉降、支護(hù)的內(nèi)力及水平變形、支撐軸力及坑底隆起值，進(jìn)一步說明數(shù)值模擬研究深大基坑的可行性。

2.1 模擬分析參數(shù)取值

2.1.1 三維模型的建立

基坑長(zhǎng)123 m，寬122 m，深9.5 m，根據(jù)基坑開挖深度的影響區(qū)域及土層分布特點(diǎn)取基坑X方向計(jì)算長(zhǎng)度為296 m，Y方向計(jì)算長(zhǎng)度為220 m，Z方向深度取31 m，整體三維區(qū)域?yàn)?96 m×220 m×31 m。數(shù)值模型包括土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系等，整體模型網(wǎng)格劃分如圖3 所示，共有1 321 572 個(gè)節(jié)點(diǎn)，212 501 個(gè)單元。計(jì)算區(qū)域的四面及底面施加位移約束，地表為自由邊界，Z軸負(fù)向施加重力加速度，坡頂四邊3～9 m 區(qū)域施加20 kPa施工荷載。

圖3 模型網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Sketch Map of Model Grid Division

本文使用如下3 個(gè)計(jì)算假定：①使用總應(yīng)力法分析計(jì)算結(jié)果，計(jì)算過程中可暫不考慮固結(jié)和地下水滲流對(duì)工程的影響；②施工過程中不考慮時(shí)間效應(yīng)，僅考慮基坑設(shè)置的時(shí)空效應(yīng)；③土體與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用節(jié)點(diǎn)位移耦合，忽略土體與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位移，未設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體之間的界面單元［5，7，9］。

2.1.2 單元設(shè)置

模型網(wǎng)格劃分中，土體本構(gòu)模型選用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。土體單元設(shè)置為各向同性三維實(shí)體單位。結(jié)構(gòu)體應(yīng)用線彈性模型，其中混凝土支撐、立柱及冠梁使用梁?jiǎn)卧M；MIDAS GTS 板單元可考慮平面受拉、受壓、平面受剪、平面外受彎、厚度方向剪切，基于厚板理論開發(fā)的，同樣適用于薄板，本工程放坡噴射混凝土面層及支護(hù)樁采用板單元模擬，其材料參數(shù)如表2所示。排樁按照抗彎剛度等效方法轉(zhuǎn)化為樁墻［1］，折算后的地下連續(xù)墻厚度h為：

表2 支護(hù)體系材料參數(shù)Tab.2 Material Properties of Retailing Structures

其中：D為鉆孔樁樁徑，D=1.2 m；t為樁凈距，t=0.2 m；支護(hù)樁采用一字相切排列，等價(jià)后的地下連續(xù)墻厚度h=0.955 m。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 基坑開挖過程中位移的變化

基坑開挖至坑底時(shí)，樁身水平位移如圖4所示，基坑開挖過程中，不同階段樁身水平位移隨深度的變化過程如圖5所示。

圖4 排樁位移云圖Fig.4 Displacement of Nephogram for Row Piles

圖5 排樁水平位移曲線Fig.5 Deformation Curve of Row Piles

通過對(duì)2 種工況下支護(hù)樁水平位移曲線進(jìn)行分析，可知2 種工況下樁側(cè)變形基本保持一致。隨著開挖深度的不斷加深，最大位移點(diǎn)不斷下移，基坑水平位移不斷增加，因支護(hù)樁兩端承受支撐軸力和被動(dòng)土壓力約束，兩端位移受到限制，支護(hù)樁呈現(xiàn)明顯的中間大、兩端小“鼓肚狀”特點(diǎn)。開挖至第一層土，即內(nèi)支撐標(biāo)高下移0.5 m 處，樁頂及樁端的水平位移分別為1.5 mm 和4.5 mm；開挖至坑底時(shí)，樁頂、坑底及樁端水平位移分別為16 mm、38 mm、16 mm；樁側(cè)水平位移最大值為39 mm，與基坑深度比值約為0.41%，位置為距離坑底以下1.6 m，約為基坑深度的1/5。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因分析：當(dāng)因開挖深度較淺，且設(shè)置剛度較大的混凝土內(nèi)支撐，而本基坑存在較厚軟土層，60%的樁長(zhǎng)處于淤泥中，樁端軟弱土層的約束較弱，導(dǎo)致工況1 情況下樁端水平位移相對(duì)較大。當(dāng)開挖至坑底時(shí)，樁側(cè)水平位移總體的變化趨勢(shì)保持一致，但因軟弱土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角值相對(duì)較小，導(dǎo)致樁側(cè)變形較大，樁端的水平位移也相對(duì)較大，被動(dòng)區(qū)土自身變形也較大，對(duì)支護(hù)樁約束相對(duì)較弱。

開挖至坑底時(shí)，基坑周邊不同位置處地表沉降量的變化值如圖6所示。

圖6 基坑周邊地表沉降曲線Fig.6 Surface Settlement Curve Around Foundation Pit

根據(jù)MIDAS/GTS 不同工況下Z軸方向位移云圖分析，可知隨著基坑開挖的進(jìn)行，地表不同位置處沉降逐漸增大。開挖至坑底時(shí)，由基坑周邊地表沉降曲線變化趨勢(shì)，距離坡頂0 m、9 m、80 m 的位置處，地表沉降量分別為2 mm、22 mm、0.2 mm；地表最大沉降量出現(xiàn)在離坡頂9～10 m 的區(qū)域，約為1 倍基坑深度；計(jì)算最大地表沉降量為22 mm，約為基坑開挖深度的0.23%；距離坑邊1 倍坑深區(qū)域內(nèi)，沉降量增加速率較大，距離坑邊2～3 倍坑深區(qū)域內(nèi)，沉降值迅速減少，距離坑邊3 倍坑深的位置處，地表沉降量趨于穩(wěn)定值。地表沉降主要由地表超載及地層中深厚軟土引起的，地表沉降曲線呈現(xiàn)明顯的“勺”型。

軟基基坑開挖將引起墻厚相當(dāng)范圍內(nèi)地表及地層沉降，這是基坑工程對(duì)環(huán)境的主要危害之一。地表沉降的大小與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底隆起及土體塑性流動(dòng)的大小緊密相關(guān)，當(dāng)開挖深度較大且土質(zhì)軟弱時(shí)，基坑周圍土體塑性區(qū)范圍相對(duì)較大，土體塑性流動(dòng)也比較大，土體將會(huì)從支護(hù)結(jié)構(gòu)外圍向坑內(nèi)和坑底流動(dòng)，由此致使周邊地表沉降量增加。同時(shí)根據(jù)地層補(bǔ)償法原理，軟弱土層存在塑性流動(dòng)和塑性隆起的情況，本項(xiàng)目地表沉降由支護(hù)結(jié)構(gòu)變形和坑底塑性隆起共同引起。

2 種開挖工況下，基坑底部不同位置處土體隆起量如圖7 所示。由于側(cè)向支護(hù)結(jié)構(gòu)的限制，工況1 開挖至內(nèi)支撐標(biāo)高以下0.5 m 時(shí)，此時(shí)坑底土體為素填土，此階段坑底隆起量呈現(xiàn)兩端小中間大的變化規(guī)律，因基坑開挖面積較大，基坑長(zhǎng)寬比接近1，靠近基底中心線的最大隆起量為29 mm，隆起量相對(duì)較大，但開挖深度不大，且坑底為素填土，坑底變形為彈性隆起，這種坑內(nèi)回彈在開挖停止后很快停止，且基本不會(huì)引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外土體向內(nèi)移動(dòng)。

圖7 基坑底部土體隆起量Fig.7 Surface Settlement Curve Around Foundation Pit

當(dāng)基坑持續(xù)開挖后，內(nèi)外高差不斷增加，由于解除了土體的自重應(yīng)力，坑底土體將產(chǎn)生回彈變形，同時(shí)開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑外土體在不平衡力的作用下向坑內(nèi)移動(dòng)，還將導(dǎo)致坑底土體產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力，從而進(jìn)一步導(dǎo)致坑底土體軟化，吸水膨脹，使坑底進(jìn)一步隆起。工況2開挖至坑底時(shí)，由于基坑較寬，開挖深度較大，基坑底部處于黏聚力和內(nèi)摩擦角均較小的淤泥軟弱土層中，從坑底土體隆起量變化曲線可知，底部出現(xiàn)塑性隆起，基坑兩側(cè)隆起量與中間區(qū)域隆起量相差較少，基坑底部整體隆起量達(dá)到110 mm，隆起變形量相對(duì)較大。

2種工況下坑底土體隆起曲線與實(shí)際開挖情況下土體隆起變形趨勢(shì)較吻合，說明MIDAS/GTS軟件計(jì)算的合理性，能較好地模擬基坑開挖過程中坑底土體的變形過程。

2.2.2 支撐軸力及支護(hù)樁彎矩的變化

支護(hù)樁折算為樁墻后的板彎矩云圖及樁身的彎矩隨深度變化曲線分別如圖8、圖9所示。

圖8 開挖至坑底時(shí)支護(hù)樁彎矩云圖Fig.8 Bending Moment Diagram of Retaining Piles during Excavation to Pit Bottom

圖9 樁身彎矩隨深度變化曲線Fig.9 Bending Moment Curve of Pile

通過分析可知，隨著開挖深度的加大，同時(shí)冠梁位置處設(shè)置一道內(nèi)支撐，樁身彎矩最大值的位置由樁頂向坑底樁身位置處移動(dòng)，樁身彎矩最大值位于深度為9.5 m 處，軟件計(jì)算彎矩值最大為1 944 kN·m/m；支護(hù)樁樁徑為1.2 m，間距為0.2 m，軟件計(jì)算值折算為支護(hù)樁的彎矩為2 721 kN·m，理正深基坑軟件計(jì)算的樁身最大彎矩為2 629 kN·m，兩者相差約3%。說明兩者計(jì)算結(jié)果較相近，且與實(shí)際情況相符合。

基坑開挖至坑底時(shí)的內(nèi)支撐軸力如圖10 所示。本基坑設(shè)置放坡，僅布置一道內(nèi)支撐，支撐的軸力隨開挖深度的加深不斷增加，開挖至坑底時(shí)，內(nèi)支撐最大軸力穩(wěn)定在7 117 kN，理正深基坑軟件計(jì)算支撐軸力最大值為8 482 kN，兩者相差1 365 kN。因基坑開挖面積較大，且長(zhǎng)寬比接近1，基坑支護(hù)內(nèi)支撐僅在四角區(qū)域設(shè)置角撐，其中夾角較大區(qū)域設(shè)置的支撐受力較為復(fù)雜，但整體上支撐的軸力均未超過材料抗力設(shè)計(jì)值，說明此工況下支撐處于安全狀態(tài)。

圖10 支撐軸力Fig.10 The Axial Force Curve of Struts

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合有限元軟件MIDAS/GTS，對(duì)某軟土地區(qū)深基坑樁撐支護(hù)型式進(jìn)行施工過程有限元模擬分析，并與理正計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

⑴基坑開挖初期至開挖到坑底，隨著開挖深度加深，排樁水平位移最大值位置不斷下移，水平位移曲線均呈現(xiàn)明顯的“鼓肚狀”型分布，中間大，兩邊小，最大值位于距離坑底約1/5的坑深處。

⑵基坑開挖過程中，周邊地表沉降曲線呈現(xiàn)明顯的“勺”型分布，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符合；基坑周邊地表沉降最大值距離坑邊約1 倍坑深，距離基坑越遠(yuǎn)，沉降影響越小，基坑對(duì)地表沉降影響范圍約為1～3倍基坑深度。

⑶開挖中坑底為素填土?xí)r，坑底隆起量呈現(xiàn)中間大、兩邊小的規(guī)律；開挖至坑底時(shí)為淤泥軟弱土層，基坑底部出現(xiàn)塑性隆起，基坑兩側(cè)隆起量與中間區(qū)域隆起量相差較少，基坑底部整體隆起量達(dá)到110 mm，隆起變形量相對(duì)較大。

⑷MIDAS/GTS 計(jì)算的支撐軸力及支護(hù)樁彎矩值與理正深基坑軟件計(jì)算結(jié)果相近，說明分析結(jié)果的可靠性，與支護(hù)結(jié)構(gòu)真實(shí)的受力及變形狀況相符合，為軟土地區(qū)上深基坑工程實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)，為深基坑設(shè)計(jì)與變形控制提供一定的理論指導(dǎo)。